裂纹和V形切口钢构件裂纹扩展仿真分析.pdf

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1、裂纹和V形切口钢构件裂纹扩展仿真分析陈凯升，胡宗军，牛忠荣(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009)摘要：文章通过设计的夹具以特定的加载方式对含裂纹和缺口钢板构件进行了拉伸试验，获得两种试件的裂纹扩展数据。采用扩展有限元法及ABAQuS软件对裂纹和缺口试件进行力学建模，数值分析其裂纹扩展规律，并同试验数据相比较。研究结果为钢结构实际应用提供有效参数。关键词：钢结构；弹塑性断裂；扩展有限元法；裂纹扩展路径中图分类号：0242．21；0346．1文献标识码：A文章编号：1673—5781(2014)02—0

2、148—03元法l_9等。O引言本文采用有限元仿真软件ABAQUSt1]的基于复杂的工程结构一般是由简单的构件构成的，如水平集法扩展有限元法对裂纹试件和V型缺口试件连接件、棒、梁、管等，在这些基本构件中，其弹性应力断裂的过程进行分析，通过试验和有限元法分析其裂及应变场(甚至其弹塑性分布)，通常可以采用普通的纹体起裂条件、最大承载力和扩展规律。数值分析方法得到。但是，在先进材料和结构中，常1含裂纹或V型缺口构件的分析比较常会存在由于材料的不连续性或几何形状突变引起1．1含裂纹和V形切口试件的设计与试验的奇点，如界面及界

3、面端、缺口等，破坏均从此处开采用Q345钢根据国标金属材料拉伸试验测得始。此时其局部应力分布会发生很大的变化，而在奇弹性模量E为210GPa，屈服应力为350MPa，泊松点处呈现应力无穷大的特性，其结构强度分析和评价比取为0．3，设计含裂纹和V形切口几何形状如图1要变得困难得多。钢材广泛地应用于各种民用和工所示。裂纹为电火花线切割宽度b仅为0．2mm，裂业设施中，尤其是在压力容器、航空航天、核电站等领纹长度为60mm。域，钢材及其构件承受比较恶劣的低温、高压、辐射等环境，钢材及其构件的断裂不仅容易发生而且会造成363

4、6n／_、爪严重的后果，因此国内外对钢结构的断裂研究比较V多，也取得了很多成果。断裂力学中有3个最重要的参数：应力强度因子．_fl20(K)、路径无关积分()和能量释放率(G)。针对这336365个基本参数，对于一些含裂纹的特殊构件，参数的闭UV合解已经求出，这些闭合解对断裂力学的应用和发展(a)裂纹伟试什(b)v切¨试什起了非常巨大的作用。随着裂纹形式以及构件种类图1试件基本尺寸的繁多，传统的闭合解的形式已经不能满足需要，数图1中6个孔与夹具通过铰制孔螺栓连接，夹具值计算的方法被大量应用于断裂参数的计算。目前两端装

5、在岛津试验机的夹头内进行拉伸试验。利用最主要的数值方法有：有限元法[、有限差分法嘲、边应变仪与试验机进行同步测量和对比，对每种试件分界元法[。。]、无网格法l5]、数值流形法[。]及扩展有限别做了3个样本的试验，试验的一致性非常好。试验收稿日期：2014—02—28；修改日期：2014—04—10基金项目：国家自然科学基金资助项目(11272111)；合肥工业大学科研发展基金资助项目(2013HGXJ0407)作者简介：陈凯升(1988一)，男，山东I临沂人，合肥工业大学硕士生；牛忠荣(1957一)，男，安徽合肥人，

6、博士，合肥工业大学教授．148《工程与建设》2014年第28卷第2期